KR20150054883A - 조절가능한 수동적 인공 무릎 - Google Patents

조절가능한 수동적 인공 무릎 Download PDF

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Abstract

사람의 하지에 연결되어 지도록 적용된 외골격(100)은 허벅지 링크(102), 정강이 링크(104) 및 상기 허벅지 및 정강이 링크(102, 104) 사이에서 휨과 신장을 허용하도록 구성된 무릎 관절(106)을 포함한다. 무릎 관절(106)에 연결된 토크 발생자(156)는 허벅지 링크(102)에 연결된 제일 단(112) 및 랩 스프링(110)의 제이 단(118)을 선택적으로 위치화할 수 있는 전동 추진자(116)에 연결된 제이 단(118)을 갖는 랩 스프링(110)을 포함한다. 조절자(120)는 전동 추진자(116)가 센서(164, 166, 168)에 의해 생성된 시그널(212, 214, 216)에 기하여 허벅지 및 정강이 링크(102, 104) 사이에 선택적인 토크를 제공하도록 랩 스프링(110)을 위치화 하도록 한다.

Description

조절가능한 수동적 인공 무릎{Controllable Passive Artificial Knee}
본 발명은 인공의 다리 보철 및 교정 시스템에 속하는 것으로서; 보다 자세하게는 다양한 교정 분야에 대해 사용되어 질 수 있는 외골격 무릎에 속한 것이다.
전통적인 무릎-발목-발 교정학(KAFO)은 보행 중의 체중-지지 상태 동안 환자에게 안정성을 증가하기 위해 사용되어 졌다. 전통적인 KAFO는 무릎을 완전한 신장으로 고정하여, 안정성을 제공한다. 이 고정된 자세는 과사용 손상을 초래할 수 있는 보행 일탈로 환자를 걸어다니게 하는 결과를 가져온다. 자세 제어 정형용 지지대(stance control orthosis; SCO)는 보행 주기의 스윙 상태 동안 무릎이 굽히도록 할 수 있고 그리고 선 자세의 상태 동안은 안정성을 위해 무릎 굽힘을 방지한다. 몸을 흔들며 걷는 상태 동안에 무릎이 굽혀짐을 가능하게 함에 의해, SCO는 보다 자연스러운 보행을 가능하게 하여, 보행 보상으로부터 오는 이차적인 복합적인 문제를 감소하고 그리고 환자에게 보다 적은 노력으로 걷는 것을 가능하게 할 것이다. 몇 가지의 자세 제어 정형용 지지대가 있다(종래 기술).
필라우어(Fillauer)는 그의 흔들기 상태 잠금(SPL) 정형용 지지대를 위한 중력-작용 무릎 조인트 잠금 시스템을 개발하였다(미국 특허 20030153854). 흔들기 상태 잠금은 허벅지 링크(사용자의 허벅지와 동조하여 움직이는 부재) 상에 장착된 간단한 내부 진자 메카니즘을 사용한다. 허벅지 링크가 움직임에 따라, 진자 스윙 동작은 허벅지 링크에 대해 정강이 링크(사용자의 정강이와 동조하여 움직이는 부재)를 잠그고 그리고 해제한다. 이것은 보행 사이클의 적절한 페이스를 위하여 무릎 관절을 잠금 및 해제를 가능하게 한다.
프리 워크 정형용 지지대(Ottobock에 의해 시판됨) 및 UTX 정형용 지지대(Becker에 의해 시판됨)는 원리에 기하여 작동한다. 자세의 종단에 발의 등쪽 굽힘은 무릎 관절에 잠금 메카니즘에 연결된 제어 가능한 케이블 상에서 당긴다. 이 당김 작용은 스윙을 위하여 잠금 메카니즘을 해제한다. 이 잠금 메카니즘은 스프링이 적재되어 지고 그리고 무릎이 완전하게 신장할 때 무릎을 잠근다.
센서 워크(Sensor Walk)(Ottobock에 의해 제작됨)는 무릎을 잠그고 그리고 해제하기 위해 무릎 관절에 랩 스프링을 사용한다. 이 정형용 지지대는 두 세트의 센서- 하나는 무릎 각도를 측정하기 위해 무릎에 그리고 다른 것은 발과 바닥 사이의 힘을 측정하기 위해 발바닥에; 해부학상의 무릎 관절을 지지하도록 제동 기능을 제공하기 위해 측면 무릎 관절에 대체되는 랩 스프링 클러치; 브레이크용 마이크로프로세서-제어 릴리스; 전자 회로; 및 허리 팩에 담지된 배터리 팩을 포함한다. 발바닥 안의 센서는 랩 스프링 클러치를 해제하고 그리고 체중이 반대쪽 다리 측으로 이동되고 그리고 한쪽 다리 지지가 준비되어 질 때 나중 자세의 상태에서 무릎이 굽어지도록 한다. 무릎 센서는 발끝이 떨어진 후 무릎의 신장을 감지하고 그리고 그의 잠금 위치에 랩 스프링 클러치를 두는 마이크로프로세서로 신호를 보낸다.
홀튼 자세 제어 정형용 지지대(미국 특허 6635024 및 미국 특허 200220169402)는 푸쉬 로드의 도움으로 무릎을 잠그고 그리고 해제하는 잠금 메카니즘을 포함한다. 이 푸쉬 로드는 뒤꿈치와 무릎 사이에 위치되어 진다. 이 푸쉬 로드는 뒤꿈치 스트라이크에서 무릎을 잠그고 그리고 자세 상태의 말단에서 바로 무릎을 해제한다. 이 장치는 어떤 각도로 무릎을 잠근다.
본 발명은 조절가능한 수동적 인공 무릎을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 제어할 수 있는 저항 토크를 갖는 적어도 외골격 무릎을 포함하는 외골격 시스템에 대한 것이다. 특히, 본 발명은 여기에서 두 표면 사이에 마찰력이 보행 주기의 다양한 상태에서 무릎 굽힘과 신장 동작을 방해하기 위해 사용되어 지는 다양한 외골격 시스템에서 외골격 무릎과 그의 적용을 여기에 기술한다. 두 표면 사이의 마찰력을 제어함에 의해, 보행 운동 주기의 어떤 부분 동안에 외골격 무릎에 대한 임의적인 저항 토크가 제공되어 질 수 있다. 외골격 무릎에 방해 토크를 만드는 것은 착용자의 무릎에 착용자에 의해 제공되어 지는 것이 요구되는 토크를 감소할 것이다. 부가적으로, 외골격 무릎은 입각기의 대다수 부분 동안 착용자의 무릎에 부하를 주지않을 것이다. 여기에 기술된 외골격 무릎은 착용자의 무릎에 독립적으로 뿐만 아니라 엉덩이, 발목 또는 발 외골격과 연계하여 닳을 수 있다. 이것은 의학적, 민간 및 군사적 적용의 다양성에서 외골격 무릎의 사용에 대해 다양한 유연성을 제공한다.
도 1은 본 발명의 외골격의 일 실시형태를 도시한다;
도 2는 명확하게 하기 위해 브레이스가 제거된 외골격의 일 실시형태를 도시한다;
도 3은 도 2의 외골격의 분해도이다;
도 4는 허벅지 링크에 랩 스프링의 커플링을 도시한 분해도이다;
도 5는 도 4의 조립된 커플링을 도시한다;
도 6은 본 발명의 실시형태와 그의 컨트롤러를 나타낸다;
도 7은 수직의 중력작용 선에 대한 사용자의 허벅지 또는 허벅지 링크의 절대 각을 도시한다;
도 8은 수직의 중력작용 선에 대해 사용자의 허벅지 절대 을 나타낸다;
도 9는 소정된 최대 및 최소 허벅지 각을 나타낸다;
도 10은 저항 토크 프로필의 일 실시형태를 나타낸다;
도 11은 저항 토크 프로필의 일 실시형태를 나타낸다;
도 12는 외골격 제어와 연계된 유한 상태 기계를 나타낸다;
도 13은 계단 내려감 동안 수직의 중력작용 선에 대한 사용자의 허벅지 각도를 나타낸다;
도 14는 계단 내려감 동안 저항 토크 프로필을 나타낸다;
도 15는 계단 올라감 동안 수직의 중력작용 선에 대한 사용자의 절대 허벅지 각도를 나타낸다;
도 16은 제일 발목-발 정형용 지지대를 더 포함하는 본 발명의 일 실시형태를 나타낸다;
도 17은 제이 발목-발 정형용 지지대를 더 포함하는 본 발명의 일 실시형태를 나타낸다;
도 18은 제삼 발목-발 정형용 지지대를 더 포함하는 본 발명의 일 실시형태를 나타낸다;
도 19는 제사 발목-발 정형용 지지대를 더 포함하는 본 발명의 일 실시형태를 나타낸다;
도 20은 외골격 트렁크를 더 포함하는 본 발명의 일 실시형태를 나타낸다;
도 21은 다른 외골격 트렁크의 일 실시형태를 나타낸다;
도 22는 도 16의 발목 발 정형용 지지대를 포함하는 외골격 트렁크를 더 포함하는 본 발명의 일 실시형태를 나타낸다;
도 23은 도 17의 발목 발 정형용 지지대를 포함하는 외골격 트렁크를 더 포함하는 본 발명의 일 실시형태를 나타낸다;
도 24는 도 18의 발목 발 정형용 지지대를 포함하는 외골격 트렁크를 더 포함하는 본 발명의 일 실시형태를 나타낸다;
도 25는 도 19의 발목 발 정형용 지지대를 포함하는 외골격 트렁크를 더 포함하는 본 발명의 일 실시형태를 나타낸다;
도 26은 랩 스프링이 추진자에 의해 구속되지 않고 그리고 방향 135를 따라 이동이 자유로운 본 발명의 일 실시형태를 나타낸다;
도 27은 랩 스프링이 추진자에 의해 구속되지 않고 그리고 방향 135를 따라 이동이 자유로운 본 발명의 일 실시형태를 나타낸다; 그리고
도 28은 외골격 제어와 연계된 유한 상태 기계의 다른 실시형태를 나타낸다.
도 1은 사용자 101에 결합된 외골격 100의 일 실시형태를 도시한다. 외골격 100은 허벅지 링크 102, 정강이 링크 104 및 허벅지 링크 102와 정강이 링크 104 사이에서 무릎 축 108을 따라 휨 및 신장을 가능하도록 구성된 무릎 조인트 106을 포함한다. 신장 회전은 정강이 링크 104와 허벅지 링크 102가 상호로부터 멀리 이동할 때 정강이 링크 104 및 허벅지 링크 102의 움직임을 나타낸다. 화살표 175는 허벅지 링크 102에 대해 정강이 링크 104의 신장 운동의 방향을 나타낸다. 휨 회전은 정강이 링크 104와 허벅지 링크 102가 상호 가까이 이동할 때 정강이 링크 104 및 허벅지 링크 102의 움직임을 나타낸다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 외골격 100은 더욱이 사용자의 허벅지 155에 커플링하는 것을 가능하게 하는 허벅지 컨넥터 150을 포함한다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 외골격 100은 더욱이 사용자의 정강이 154에 커플링하는 것을 가능하게 하는 정강이 컨넥터 152를 포함한다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 허벅지 컨넥터 150 및 정강이 컨넥터 152는 브레이스를 포함한다. 비록 브레이스는 도 1에서 사용자의 허벅지 155 및 정강이 154에 정강이 링크 104 및 허벅지 링크 102의 커플링을 입증하기 위해 사용되어 졌지만, 이 기술 분야의 통상인은 정강이 링크 104와 허벅지 링크 102가 사용자의 정강이 154 및 사용자의 허벅지 155를 조화되어 움직이도록 하는 많은 방법 및 장비가 채용되어 질 수 있고; 정강이 및 허벅지 브레이스를 통한 커플링은 조화된 운동을 야기하는 단지 하나의 방법이다는 것을 이해할 것이다.
도 2는 브레이스 150 및 152가 명확하게 제거되어 진 외골격 100의 일 실시형태를 나타낸다. 도 3은 도 2의 외골격 100의 분해 조립도로, 여기서 브레이스는 명확하게 하기 위해 제거되어 졌다. 외골격 100은 더욱이 랩 스프링 110의 제일 단 112가 허벅지 링크 102에 연결된 랩 스프링 110을 포함한다. 이 연결은 다양한 기계적 방법에 의해서 성취되어 질 수 있다; 그러나, 이 연결의 실시형태는 도 4 및 도 5를 참고로 아래에서와 같이 기술되어 진다. 허벅지 링크 102에 랩 스프링 110의 연결은 디스크 115 및 캡 122를 통해 용이하게 되어 진다. 도 4는 캡 122, 디스크 115 및 랩 스프링 110의 또 다른 도면을 도시한다. 랩 스프링 110의 제일 단 112는 캡 122에 연결되어 진다. 랩 스프링 110은 115' 주변으로 감싸여 진다. 디스크 115는 그런 다음 홀 113을 통하여 지나는 네 개의 고정자(도시 생략)에 의해 캡 122에 유지되어 진다. 스크류 세트 142는 그런 다음 랩 스프링 110이 디스크 115에 대해 회전하지 않도록 공고하게 하기 위해 사용되어 진다. 캡 122는 일 세트의 홀 130 및 131(각각 도 3 및 도 4에 도시됨)을 통해 지나는 고정자(도시 생략)을 통해 허벅지 링크 102에 연결되어 진다. 이 방법은 랩 스프링 110의 제일 단 112를 허벅지 링크 102에 고정한다. 외골격 100은 부가적으로 정강이 링크 104에 연결된 실린더 114를 포함한다. 실린더 114는 랩 스프링 110의 주축에 실질적으로 평행한 그의 주축으로 랩 스프링 110 안쪽으로 실질적으로 위치되어 진다. 외골격 100은 더욱이 랩 스프링 110의 제이 단 118을 위치하게 할 수 있는 적어도 하나의 전동 추진자 116을 포함한다. 조립될 때, 제이 단 118은 추진자 166의 바 133 안의 홀 132를 통해 신장하고 그리고 그 안에서 유지되어 진다. 비록 본 실시형태에서, 추진자 116은 화살표 135 및 136을 따라 바 133의 직선 운동을 가능하게 하지만, 이 분야의 통상인은 랩 스프링 110의 제이 단 118의 위치를 조절하기 위해 다양한 추진자를 사용할 수 있다고 인식되어 져야 한다. 외골격 100은 더욱이 전동 추진자 116을 조절할 수 있는 조절자 120을 포함한다. 작동에 있어서, 조절자 120은 전동 추진자 116이 랩 스프링 110의 내측 표면 134와 실린더 114의 실린더 표면 126 사이에서 임의적인 압력을 제공하도록 랩 스프링 110의 제이 단 118을 위치시킨다. 이 압력은 실린더 114와 랩 스프링 110 사이에 저항 토크를 야기한다. 결과적으로, 허벅지 링크 102와 정강이 링크 104 사이의 저항 토크는 랩 스프링 110의 제이 단 118을 조정함에 의해 조절되어 질 수 있다. 제이 단 118이 추진자 116의 도움으로 화살표 136을 따라 이동하므로, 허벅지 링크 102와 정강이 링크 104 사이의 저항 토크는 증가한다. 제이 단 118이 추진자 116의 도움으로 화살표 135를 따라 이동하므로, 허벅지 링크 102와 정강이 링크 104 사이의 저항 토크는 감소한다.
도 1 내지 도 5는 조절할 수 있는 저항 토크가 두 개의 마찰 표면 사이에 마찰력의 사용에 의해 발생되어 지는 외골격 100의 일 실시형태를 나타낸다. 도 3에 잘 나타난 바와 같이, 제일 마찰 표면은 정강이 링크 104에 연결된 실린더 114의 외측 표면 126이고, 그리고 제이 마찰 표면은 디스크 115와 캡 122를 통해 허벅지 링크 102에 연결된 랩 스프링 110의 내측 표면 134이다. 바람직하기로는 허벅지 링크 102에 연결된 전동 추진자 116은 랩 스프링 110의 제이 단 118을 위치하고 그리고 실린더 114의 외측 표면 126과 랩 스프링 110의 내측 표면 134 사이의 압력을 조절한다. 결과적으로, 허벅지 링크 102와 정강이 링크 104 사이의 저항 토크가 조절되어 질 수 있다.
이 기술 분야의 통상인은 반대의 연결(도시 생략)로 상기한 접근법을 사용할 수 있다. 이것은, 이 반대의 경우에 있어서, 스프링 110의 제일 단 112가 정강이 링크 104에 연결되고 그리고 실린더 114는 허벅지 링크 102에 연결된다는 것을 의미한다. 더욱이, 이 반대의 경유에 있어서, 전동 추진자 116은 바람직하기로는 정강이 링크 104에 연결되어 진다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 실린더 114의 외부 직경은 랩 스프링 110의 내부 직경보다 어느 정도 크다. 이 실시형태에 있어서, 랩 스프링 110의 내부 직경은 그의 자유 형상(예를 들어, 랩 스프링 110의 제이 단 118이 추진자 116에 의해 구속되어 지지 않을 때)에 있어서 실린더 114의 외측 표면과 접촉한다. 이것은 랩 스프링 110의 제이 단 118이 추진자 116에 의해 구속되어 지지 않고 그리고 자유로이 이동할 때 랩 스프링 110과 실린더 114 사이에 꼭 맞는 장착을 가능하게 한다. 이 실시형태에 있어서, 도 26에 도시된 바와 같이, 랩 스프링 110의 제이 단 118이 추진자 116에 의해 구속되어 지지 않고 그리고 화살표 135를 따라 자유로이 이동하도록 랩 스프링 110의 제이 단 118에 추진자 116을 연결하는 하나의 선택이 있다. 이것은, 랩 스프링의 제이 단이 바 133에 제공된 슬롯 137 안에서 자유로이 이동할 수 있기 때문에, 랩 스프링 110을 감기지 않도록 랩 스프링 110의 제이 단 118의 자유 운동을 가능하게 한다. 이 실시형태의 특별한 특성은 이것이 항시 상호에 대해 허벅지 링크 102 및 정강이 링크 104의 자유로운 무릎 신장(또는 무릎 신장 동안 아주 적은 저항으로 무릎 신장)을 가능하게 한다는 것이다. 랩 스프링 110의 제이 단 118이 구속되지 않을 때 랩 스프링 110 및 실린더 114가 상호 접촉하고, 그런 다음 선택적인 저항 토크를 제공하기 때문에, 랩 스프링 110을 풀기 위하여 방향 135를 따라 랩 스프링 110의 제이 단 118을 이동하기 위해 추진자 116을 사용하는 것이 필요하다. 추진자 116이 방향 135를 따라 랩 스프링 110의 제이 단 118을 이동하면 할수록, 랩 스프링 110은 더욱 풀리고 그리고 저항 토크는 덜 형성될 것이다. 만일 랩 스프링 110과 실린더 114 사이에 아주 최소한의 접촉(또는 비접촉)이 있는 점으로 랩 스프링 110의 118이 방향 135를 따라 이동되어 진다면, 그러면 랩 스프링 110의 내부 표면과 실린더 114 사이에 저항 토크는 형성되지 않는다. 이 실시형태에 있어서, 랩 스프링 110의 제이 단 118의 위치에 상관없이(예를 들어, 허벅지 링크 102와 정강이 링크 104 사이에 휨에 응하여 얼마나 많은 저항 토크가 생성되었는가에 상관없이), 실린더 114 (그리고 결과적으로 정강이 링크 104)는 허벅지 링크 102에 대해 화살표 175를 따라 자유로이 복귀될 수 있다. 이 실시형태에 있어서, 허벅지 링크 102 및 정강이 링크 104는 저항 토크가 허벅지 링크 102와 정강이 링크 104 사이에 휨에 반응하여 생성되어 질 때조차도 항상 상호에 대하여 자유롭게(또는 아주 적은 저항으로) 신장할 수 있다. 이 특성은 이것이 추진자 116에 어떠한 명령을 필요로 함이 없이 항상 자유롭게 또는 적은 저항으로 무릎 관절이 신장하도록 하기 때문에 중요하다. 이 실시형태에 있어서, 추진자 116은 정강이 링크 104와 허벅지 링크 102 사이에서 휘는 동안 선택적인 저항 토크를 생성하기 위해서만 반응할 수 있다. 이 실시형태의 기계적인 특성은 항상 상호에 대해 정강이 링크 104 및 허벅지 링크 102의 자유로운 신장을 가능하게 한다. 바 133 안에 슬롯 137을 형성하는 대신에, 도 27에 도시된 바와 같은 신장된 홀(여기서 139)을 만들 수 있다고 이해되어 질 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태와 조절가능한 저항 토크가 어떻게 발생되어 지는가에 상관없는 그의 조절자 120을 도시한다. 외골격 100은 도 6에 도시된 바와 같이 사람의 가장 낮은 말단에 연결되어 지도록 구성되어 진다. 외골격 100은 사용자의 허벅지 155와 일체로 움직이도록 구성된 허벅지 링크 102, 사용자의 정강이 154와 일체로 움직이도록 구성된 정강이 링크 104, 정강이 링크 104와 허벅지 링크 102 사이에서 휨과 신장을 가능하도록 구성된 무릎 조인트 106, 정강이 링크 104와 허벅지 링크 102 사이에서 조절할 수 있는 저항 토크를 형성하도록 구성된 토크 발생자 156, 허벅지 링크 102의 각을 나타내는 레그 시그날 140을 형성하는 적어도 하나의 레그 센서 128, 및 토크 발생자 156을 조절할 수 있는 조절자 120을 포함한다.
토크 발생자 156은 마찰력과는 별도의 다른 방법을 포함하는 저항 토크를 발생하는 일반적인 메카니즘을 나타낸다. 특별하게는, 토크 발생자 156은 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이 두 개의 마찰 표면 사이에 마찰력의 사용에 의해 허벅지 링크 102와 정강이 링크 104 사이에 조절할 수 있는 저항 토크를 발생하도록 형상되어 질 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 수압 시스템(도시 생략)이 허벅지 링크 102와 정강이 링크 104 사이의 조절할 수 있는 저항 토크(수압 정형용 무릎에 유사한 것)를 제공하기 위해 사용되어 질 수 있다. 본 발명의 몇몇 다른 실시형태에 있어서, 전동 모터 및 추진자(도시 생략)가 조절할 수 있는 저항 토크를 생성하기 위해 사용되어 질 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 레그 센서 128은 컴퓨터 또는 전기 회로 또는 양자의 도움으로 허벅지 링크 102의 절대 각을 생성할 수 있는 센서 또는 센서들의 조합을 포함한다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 자이로스코프, 가속계 및 자력계를 포함하는 전자 회로 기판(PCB)을 사용할 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, PCB 센서는 허벅지 링크의 절대 각을 측정하기 위해 허벅지 링크 102 상에 장착되어 진다. PCB 센서는 더욱이 필터링 및 계산을 위한 마이크로컴퓨터를 포함할 수 있다. PCB 상의 자이로스코프는 PCB 또는 PCB에 연결된 어떤 부재의 각 속도를 나타내는 신호를 출력한다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 자이로스코프는 허벅지 링크 102의 각 속도를 나타내는 신호를 출력한다. 자이로스코프는 그런 다음 허벅지 링크 102 또는 PCB의 절대 각을 계산하고 그리고 산출하기 위해 통합되어 진다. PCB 기판 상의 가속계 및 자력계는 각 속도로부터 절대 각의 계산에 있어 실수를 감소하기 위해 사용되어 졌다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 레그 센서 128은 허벅지 링크 102의 계산을 위한 그 자체의 계산 능력과 전자 회로를 포함한다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 외골격 조절자 120은 허벅지 링크 102의 절대 각도를 유도하기 위해 사용되어 진다. 레그 시그널 140은 수직 중력 선 161(도 7) 또는 지면 162(도 6)에 대한 허벅지 링크 102의 절대 각을 표시하는 조절자에 시그널, 시그널의 조합 또는 적어도 변수를 지시한다. 몇몇 실시형태에 있어서, 레그 시그널 140을 발생하기 위한 센서 온-보드 컴퓨터를 사용할 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 레그 시그널 140을 발생하기 위한 외골격 조절자 120 또는 기타 컴퓨터 또는 회로를 사용할 수 있다.
사람의 몸체(상부 신체) 방향은 보행 동안에 보다 수직이기 때문에, 그런 다음 사람은 사용자의 몸통과 허벅지 링크 102 사이의 각도를 레그 시그널 140과 같이 나타내는 시그널을 사용할 수 있다. 이것은 도 20에 도시된 바와 같이 휨 신장 축 352를 따라 허벅지 링크 102와 몸통 링크 353 사이의 휨과 신장을 측정하기 위해 엉덩이 관절 상에 센서를 부착함에 의해 수행되어 질 수 있다. 레그 센서 128의 예는, 여기에 한정되는 것은 아니지만, 회전 전위차계, 선형 전위차계, 자기 엔코더, 광학 엔코더, 선형 변수 편차 변압기, 용량성 변위 센서, 와류 근접 센서, 가변-인덕턴스 근접 센서, 로커 스위치, 슬라이드 스위치, 가속도계, 관성 측정 유닛, 자이로스코프, 자력계 및 이들의 조합을 포함한다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 조절자 120은 허벅지 링크 102에 연결되어 진다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 조절자 120은 정강이 링크 104에 연결되어 진다.
외골격 100의 일 실시형태에 있어서, 레그 시그널 140은 도 7에 도시된 바와 같이 수직 중력 선 161에 대해 허벅지 링크 102의 절대 각을 나타내는 시그널이다. 수직 중력 선 161은 중력에 평행한다. 관성 측정 유닛 (IMU) 센서의 형태인 레그 센서 128은 사용자의 허벅지 155에 보지되어 질 수 있고, 그리고 수직 중력 선 161에 대해 허벅지 링크 102 또는 사용자의 허벅지 155의 절대 각을 발생할 수 있다. 사용자의 허벅지 155와 허벅지 링크 102는 상호 일체로 움직이기 때문에, 레그 센서 128은 사용자의 허벅지 155 또는 허벅지 링크 102의 어느 하나에 보지되어 질 수 있다. 다음은 외골격 100이 평탄한 지면 보행, 계단 내리기 및 계단 오르기에 대해 어떻게 조절되어 지는가에 대해 설명한다.
평지 보행. 도 8은 수직 중력 선 161에 대해 평탄 지면 상을 보행하는 사람의 허벅지의 절대 각을 나타낸다. 본 발명의 일 실시형태에 있어서, 레그 시그널 140은 수직 중력 선 161에 대해 허벅지 링크 102의 절대 각을 나타낸다. 도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 이 경우에 있어서, 수직 중력 선 161에 대해 허벅지 링크 102의 절대 각은 대략적으로 -20°내지 +20° 사이로 제한된다. 이들 제한은 사람에 따라서 변할 수 있고 그리고 또한 시간 및 다른 변수들의 작용에 따라 같은 사람 내에서도 변할 수 있다. 레그 시그널 140의 값에 기초되어 조절자 120은 토크 발생자 156의 저항 토크를 조절한다.
작동에 있어서, 토크 발생자 156은 레그 시그널 140 (이 실시형태에 있어서, 수직 중력 선 161에 대한 허벅지 링크 102의 절대 각)은 소정된 최대 허벅지 각도
Figure pct00001
보다 크게 될 때, 휨에 반응하는 저항 토크를 발생하기 시작한다. 도 9 참고. 이것은 토크 발생자 156이 힐 스트라이크에 의한 외골격 무릎 휨에 반응하는 저항 토크를 발생하도록 한다. 본 발명자는 외골격 100의 이 단계를 (도 12에 도시된) "저항 상태" 208로 정의한다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 본 발명자는 이 소정된 최대 허벅지 각도
Figure pct00002
가 18°로 되는 것으로 간주한다. 사람의 보폭에 의존하여, 이 소정된 최대 허벅지 각도는 조절되어 질 수 있다. 이 방법을 사용하여, 레그 시그널 140이 각도
Figure pct00003
(예를 들어, 18°)보다 크게 되자마자, 외골격은 무릎 관절이 신장을 통해 여전히 진행하고 있을 때라도 저항 상태 208 (예를 들어, 무릎 휨에 반응하는 저항 토크를 제공)로 이동할 것이다.
토크 발생자 156은 레그 시그널 140이 소정의 최소 허벅지 각도보다 적게 될 때 최소 저항 토크 또는 제로를 생성하기 시작한다. 이 소정의 최소 허벅지 각은 (도 9에 도시된 바와 같이)
Figure pct00004
로 표시되어 진다. 환언하면, 레그 시그널 140이 이 최소 허벅지 각보다 적게 될 때, 토크 발생자 156은 무릎 조인트 106에 저항 토크를 감소하여, 외골격 100이 자유로운 상태로 되도록 한다. 도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명자는 외골격 100의 이 상태를 "자유 상태" 206으로 정의한다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 토크 발생자 156은 저항 토크를 제로 또는 그의 최소 가능한 값으로 감소한다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 본 발명자는 이 소정의 최소 허벅지 각이 -18°로 되는 것으로 간주한다. 이 소정의 최소 허벅지 각은 사람의 보폭에 의존하여 보정되어 질 수 있다.
저항 상태 208 동안 저항 토크 프로필의 많은 형태가 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 저항 토크는 아주 빠르게 그의 최대 값으로 증가한다. 이 저항 토크는 감소하고 그런 다음 발가락-떼기 바로 전에 다시 증가한다(레그 시그널 140 또는 무릎 각도 또는 이들의 조합의 작용으로서). 이 특성의 프로필은 이동성 장애를 갖는 사람에 대해 적절할 수 있다. 도 11은 온전한 이동성을 갖는 사람에 대하여 사용되어 질 수 있는 저항 토크 프로필의 다른 실시형태를 도시한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 저항 토크는 아주 빠르게 그의 최대 값으로 증가하고 그런 다음 최소 값으로 감소한다.
도 12는 외골격 조절과 연계된 유한 상태 기계를 도시한다. 도 12에 도시된 바와 같이, 외골격 100은 외골격 100이 소정된 최대 스탠스 시간(tlim) 보다 많이 저항 상태 208에 유지될 때 토크 발생자 156이 최대 저항 토크를 발생하는 잠금 상태 210으로 이동할 것이다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 이 소정된 최대 스탠스 시간은 1.5초이다.
외골격 100은 외골격 100이 소정된 최대 스탠스 시간(tlim) 보다 많이 자유 상태 206에 유지될 때 토크 발생자 156이 최대 저항 토크를 발생하는 잠금 상태 210으로 이동할 것이다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 이 소정된 최대 스탠스 시간은 1.5초이다.
본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 외골격 100은 레그 시그널 140이 소정의 최대 허벅지 각보다 클 때 (예를 들어, 도 12에 도시된 바와 같이 θ Thigh >
Figure pct00005
) 저항 상태 208로 이동할 것이다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 외골격은 레그 시그널 140이 소정의 최소 허벅지 각보다 적을 때(예를 들어, 도 12에 도시된 바와 같이 θ Thigh <
Figure pct00006
) 자유 상태 208로 이동할 것이다.
본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 외골격 100은 조절자 120에 대해 록킹 시그널 212을 발생할 수 있는 수동의 잠금 장치 164(도 6 참고)를 포함한다. 작동에 있어서, 수동의 잠금 장치 164가 활성화되어 질 때, 외골격 100은 토크 발생자 156이 최대 저항 토크를 발생하는 잠금 상태 210(도 12에 도시됨)으로 이동할 것이다.
본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 외골격 100은 조절자 120에 대해 언록킹 시그널 214를 발생할 수 있는 수동의 비잠금 장치 166(도 6 참고)를 포함하고, 여기서, 수동의 비잠금 장치 166이 활성화되어 질 때, 외골격 100은 토크 발생자 156이 최소 저항 토크를 발생하는 비잠금 상태 200으로 이동할 것이다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 최소 저항 토크은 제로 값을 가진다.
본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 외골격 100은 조절자 120에 대해 수동 시팅 시그널 216을 발생할 수 있는 수동의 시팅 장치 168(도 6 참고)을 포함한다. 작동에 있어서, 수동의 시팅 장치 168이 활성화되어 질 때, 외골격 100은 토크 발생자 156이 무릎 조인트 106을 점진적으로 휘기 위해 적절한 임의적 저항 토크을 발생하는 시팅 상태 202로 이동할 것이다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 시팅 상태 202의 종단에 있어서, 레그 시그널 140이 소정의 최대 시팅 허벅지 각 값(
Figure pct00007
sit )에 도달할 때, 외골격 100은 비잠금 상태 200으로 이동할 것이다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 이 소정의 최대 시팅 허벅지 각은 약 90도이다.
수동의 잠금 장치 164, 수동의 비잠금 장치 166, 및 수동의 시팅 장치 168은 조절자 120에 대해 수동의 잠금 시그널 212, 수동의 비잠금 시그널 214 및 수동의 시팅 시그널 216을 발생할 수 있는 어떤 시그널 발생자 또는 시그널 발생자의 조합을 포함한다. 이들 시그널 발생자(즉, 164, 166, 및 168)의 예는 여기에 한정됨이 없이, 스위치, 순간 스위치, 토글 스위치, 온-오프 버튼, 슬라이드 스위치, 손잡이, 전위차계, 썸 롤 푸시 버튼 및 이들의 조합을 포함한다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 수동의 잠금 장치 164 및 수동의 비잠금 장치 166은 동일한 하드웨어이다. 이 기술분야의 통상인은 하나 또는 그 이상의 시그널 발생자를 통해 상기 시그널을 발생하는 다양한 방법이 있다는 것을 이해할 수 있다.
계단 내려가기. 계단을 내려갈 때, 수직 중력 선 161에 대해 사람의 허벅지의 절대 각은 주기적인 동작을 통해 간다; 그러나, 이 허벅지 절대 각은 항상 양성이다. 도 13도시된 바와 같이, 계단 내려가기 동안, 수직 중력 선 161에 대해 절대 허벅지 각은 약 30°로 증가하고 그리고 약 12.30°로 감소한다.
본 발명자 등은
Figure pct00008
및
Figure pct00009
가 만일 평지 보행에 대한 외골격 100을 작동하도록 설정되어 진다면(즉, 상기한 바와 같이
Figure pct00010
= - 18° 그리고
Figure pct00011
= 18°), 외골격 100은 여전히 계단 내려가지 때 기능을 할 수 있다는 것을 밝혀냈다. 허벅지 각이
Figure pct00012
(즉, 18°)보다 크게 되는 것으로 검출되어 질 때, 외골격 100은, 비록 사람의 다리가 여전히 스윙 페이스(즉, 지면과 접촉하지 않은)에 있더라도, 저항 상태 208(도 12에 도시됨)로 이동한다. 이것은 외골격 100이 다리가 지면과 접촉할 때 무릅 휨에 반응하여 저항 토크를 만드는 것을 쉽게 할 것이다는 것을 의미한다. 계단 내려가기에 있어서, 무릎 각이 이미 스탠스 상태 동안에 실질적으로 굽혀져 있기 때문에 사람은 정상적으로 스윙 페이스 동안은 그의 무릎을 굽히지 않는다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 계단을 내려갈 때, 외골격 100은, 수직 중력 선 161에 대해 절대 허벅지 각이
Figure pct00013
보다 적게 되도록 감소되지 않기 때문에, 자유 상태 206으로 들어가지 않는다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 이것은
Figure pct00014
및
Figure pct00015
에 대한 일 세트의 변수가 평지 바닥 보행과 계단 내려가기에 충분하다는 것을 의미한다. 도 14는 계단 내려가기에 대한 저항 토크 프로필의 일 실시형태를 나타낸다.
참고로 도 12로 돌아가면, 외골격 100이 자유 상태 206이고 그리고 수직 중력 선 161에 대하여 허벅지 링크 102의 절대 각이
Figure pct00016
보다 클 때, 외골격 100은 저항 상태 208로 이동할 것이다. 외골격 100이 저항 상태 208이고 그리고 수직 중력 선 161에 대하여 허벅지 링크 102의 절대 각이
Figure pct00017
보다 적을 때, 외골격 100은 자유 상태 206으로 이동할 것이다. 도 14 및 도 12의 밀접한 관찰은 계단 내려가기 동안, 수직 중력 선 161에 대하여 허벅지 링크 102의 절대 각이 계단 내려가기 때
Figure pct00018
보다 결코 적어지지 않기 때문에, 외골격 100은 결코 자유 상태 206으로 들어가지 않는다는 것이 밝혀진다.
계단 오르기. 계단을 오를 때, 사람의 허벅지 각은 주기적인 동작을 통해 간다. 도 15는 일 세트의 계단을 오르는 사람을 도시한다. 일단 수직 중력 선 161에 대하여 사람의 허벅지의 절대 각이
Figure pct00019
(즉. 18°)보다 크게 되면, 무릎 각(허벅지와 정강이 사이의 각도)은 약 90°로 자유롭게 휘어지고 그런 다음 약 50°로 신장하는 것이 필요하다는 것이 관찰되어 질 수 있다. 허벅지 절대 각이
Figure pct00020
보다 크게 될 때 외골격 100은 자유롭게 휠 수 없으므로, 사람의 다리는 다음 단계에서 충돌할 수 있다. 이것은, 몇몇 실시형태에 있어서, 우리는 우리가 계단 오르기를 위해 평지 보행 동안 사용하였던 동일한 값의
Figure pct00021
를 사용할 수 없다는 것을 의미한다. 몇 가지의 해결책이 여기에서 주어진다. 제일 해결책에 있어서, 계단을 오르는 동안 외골격 100을 비잠금 상태 200으로 이동하도록 수동의 비잠금 장치 166을 사용하는 것이 필수적으로 된다.
제이의 해결책에 있어서, 만일 무릎 각도 측정치 θ knee 를 이용할 수 있다면, 그런 다음 평지 보행과 계단 오르기 사이를 차별화하는 것이 사용되어 질 수 있다. 무릎 각도 측정치, θ knee 는 도 15에 도시된 바와 같이 허벅지와 정강이 사이의 각도를 나타낸다. 도 15는 발가락을 뗀 바로 후 무릎 각도 측정치 (θ knee )가 아주 적은 값(거의 제로 수준)으로부터 큰 값(어떤 경우에는 90° 근처)으로 증가한다는 것을 나타낸다. 레그 시그널 140이
Figure pct00022
에 도달할 때, 무릎 각도는 이것이 평지 보행에 대한 것보다 실질적으로 크다. 평지 보행 동안 무릎 각도 측정치는 레그 시그널 140이
Figure pct00023
에 도달할 때, 통상적으로 약 15°이지만, 계단을 오르는 동안 무릎 각도 측정치는 레그 시그널 140이
Figure pct00024
에 도달할 때, 약 45°이다. 레그 시그널 140이
Figure pct00025
에 도달하고 그리고 무릎 각도 측정치가 θ knee 보다 적을 때(즉, θ knee <
Figure pct00026
knee ), 조절자는 저항 상태 208로 이동할 것이다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 30°로 되는 θ k n ee 가 선택되어, 평지 보행 동안 최대 무릎 각도 측정치보다 큰 수이다. 그러나, 레그 시그널 140이
Figure pct00027
에 도달하고 그리고 무릎 각도 측정치가 θ knee 보다 클 때(즉, θ k n ee >
Figure pct00028
knee ), 조절자는 그의 자유 상태 206에 남아 있을 것이다. 무릎 각도 측정은 무릎 관절에 엔코더나 리솔버 또는 어떤 각도 센서의 설비에 의해 수행되어 질 수 있다.
세 번째 해결책에 있어서는, 계단이나 경사를 오르는데 적합한 적절한 값으로
Figure pct00029
및
Figure pct00030
를 변형하는 것이 필요하게 된다. 본 발명의 일 실시형태에 있어서,
Figure pct00031
및
Figure pct00032
는 계단이나 경사를 오르기 위해 10° 및 60°로 설정되어 질 수 있다.
도 16 내지 도 19는 외골격이 발목-발 정형용 지지대를 더 포함하는 본 발명의 실시형태를 도시한다. 도 16에 도시된 실시형태와 같이, 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 발목-발 정형용 지지대 402는 사람의 발에 연결되어 질 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 발목-발 정형용 지지대 402는 정강이 링크 104에 연결되어 질 수 있다. 도 16에 도시된 바와 같이 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 외골격 300은 착용자의 신발 303의 외측에 착용되어 지는 발목-발-정형용 지지대 402를 더 포함한다. 도 17에 도시된 바와 같이, 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 외골격 400은 깔창과 같이 착용자의 신발 내측(착용자의 신발은 명확화를 위해 도시하지 않음)에 착용되어 지는 발목-발-정형용 지지대 404를 더 포함한다. 이 기술분야의 통상인은 많은 형태의 내부 및 외부 발목-발-정형용 지지대를 안출할 수 있다. 도 18은 고정된(그러나 때로는 조정할 수 있음) 힌지를 갖는 표준 쇼트 레그 발목-발-정형용 지지대(AFO)인 발목-발-정형용 지지대 406을 더 포함하는 외골격 500의 실시형태를 도시한다. 이 타입의 AFO는 상대적으로 가볍고 그리고 신발 안에 장착하기가 용이하다. 이 AFO는 정강이 링크 104에 대해 어떤 원하는 각도로 발을 유지한다. 더욱이, 이 AFO는 발바닥의 휨이나 족배 굴곡을 허용하지 않고, 그래서 이것은 몇몇 다른 브레이스와 같은 아주 자연스러운 보폭을 제공하지 않는다. 도 17은 발목-발-정형용 지지대 404가 표준 솔리드 발목-발-정형용 지지대인 외골격 400의 실시형태를 도시한다. 이 타입의 발목-발-정형용 지지대는 발바닥의 휨을 중단하고 그리고 또한 족배 굴곡을 중단하거나 제한한다. 도 19는 발바닥의 휨 중단 AFO인 발목-발-정형용 지지대 408을 포함하는 외골격 600의 실시형태를 도시한다. 이 AFO는 발 링크 103을 하방으로 허용하지 않음에 의해 발바닥 휨을 중지하도록 작용한다. 이 타입의 AFO는 발의 정상적인 족배 굴곡을 허용하는 힌지 107을 가진다.
비록 다른 발목-발 정형용 지지대의 특정한 예들이 도시되어 졌지만, 본 발명으로 이용될 수 있는 다른 형태의 발목-발-정형용 지지대가 있다는 것이 인식되어 져야 한다. 예를 들어, 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 발목-발-정형용 지지대는 족배 굴곡 어시스트 AFO (도시 생략)이다. 이 타입의 AFO는 도 18에 도시된 AFO와 유사하지만, 그러나 발이 지면에서 떨어질 때 발 링크 203(발목을 족배 굴곡함)을 올리도록 작용하는 스프링-형 힌지를 가진다. 족배 굴곡 어시스트 AFO는 보다 정상적인 보행 패턴의 이점을 제공한다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 발목-발-정형용 지지대는 표준 포스테리어 리프 스프링 발목-발-정형용 지지대(도시 생략)이다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 발목-발-정형용 지지대는 에어지 리턴 발목-발-정형용 지지대(도시 생략)이다. 이 타입의 AFO는 족배 굴곡에 있어 보조를 제공하기 위해 AFO의 재질 안으로 도입된 천연 플렉스를 사용한다. 이들 장치는 때로는 카본 그라파이트 물질로 만들어 진다. 일반적으로 본 발명의 발목-발-정형용 지지대는 지시된 기능을 수행할 수 있는 내부 또는 외부 발목-발-정형용 지지대의 어떤 장치 또는 조합을 포함한다. 내부 또는 외부 발목-발-정형용 지지대의 에는, 여기에 제한됨이 없이, 연성 AFO, 경성 AFO, 타마랙 플렉셔를 갖는 AFO, 안티-탈러스를 갖는 AFO, AFO 안티-탈러스(앞쪽의 쉘 또는 전방 안의 쉘), 자유-운동 발목 관절을 갖는 AFO, 조절할 수 있는 경성 발목 관절을 갖는 AFO, 스프링-적재 발목 관절을 갖는 AFO, 조절할 수 있는 스프링-적재 발목 관절을 갖는 AFO 및 이들의 조합을 포함한다.
도 20 및 21은 외골격 610이 외골격 트렁크 350을 더 포함하는 본 발명의 실시형태를 도시한다. 외골격 트렁크 350은 사람의 상체에 결합되도록 구성되어 진다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 외골격 트렁크 350은 백팩(도시 생략)과 같이 사람에 결합되어 진다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 외골격 트렁크 350은 예를 들어, 도 20에 도시된 바와 같이, 벨트와 같이 사람에 결합되어 진다. 외골격 트렁크 350은 사람의 상체 및 몸통에 결합되어 질 수 있는 몸통 링크 353을 포함한다. 외골격 트렁크 350은 더욱이 몸통 링크 353에 허벅지 링크 102를 회전가능하게 결합하도록 구성되어 질 수 있는 트렁크 허벅지 링크 351을 포함한다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 트렁크 허벅지 링크 351은 허벅지 링크 102에 연결되어 진다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 트렁크 허벅지 링크 351은 허벅지 링크 102에 연결되지 않는다. 도시되지 않은 대안적인 실시형태에 있어서, 트렁크 허벅지 링크 351은 사람의 허벅지에 연결되어 진다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 외골격 트렁크 350은 더욱이 몸통 링크 353과 트렁크 허벅지 링크 351 사이에서 토크를 제공할 수 있는 추진자 358을 포함한다. 추진자용 컨트롤러 박스 367 및 배터리 369가 도 20에 도시되어 졌다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 레그 시그널 140은 지면 162에 대해 또는 수직 중력 선 161에 대해 허벅지 링크 102의 절대 각을 나타낸다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 레그 시그널 140은 지면 162에 대해 또는 수직 중력 선 161에 대해 트렁크 허벅지 링크 351의 절대 각을 나타낸다(도 6 참고). 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 레그 시그널 140은 사람의 몸통에 실질적으로 평행하는 몸통 링크 353에 대해 트렁크 허벅지 링크 351의 각을 나타낸다.
도 21은 외골격 트렁크 350의 다른 부분도를 도시한다. 휨 신장 축 352는 트렁크 허벅지 링크 351 및 몸통 링크 353 사이에서 휨과 신장을 나타낸다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 외골격 트렁크 350은 더욱이 상호에 대하여 외골격 트렁크 350의 좌측면과 우측면 사이에서의 운동을 가능하게 하는 힙 내전-외전 관절 365를 포함한다. 내전-외전 축 355는 이 힙 내전-외전 회전의 축을 나타낸다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 내전-외전 회전은 회전이 자유롭다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 힙 내전-외전 회전은 순응 부재(도시 생략)의 사용에 의해 방해되어 진다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 힙 내전-외전 축은 전두면 내의 내전 및 외전 운동이 북돋아지지 않는 적용에 대해 잠겨질 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 외골격 트렁크 350은 더욱이 몸통 링크 353'에 대해 트렁크 허벅지 링크 351의 내전 및 외전을 허용하는 레그 내전-외전 관절 357을 포함한다. 레그 내전-외전 축 359는 레그 내전-외전 회전의 축을 나타낸다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 레그 내전-외전 회전은 스프링(도시 생략)과 같은 순응 부재의 사용에 의해 방해되어 진다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 레그 내전-외전 운동은 전두면 내의 레그 내전 및 외전 운동이 장려되지 않는 적용에 대해 잠겨질 수 있다. 도 21은 브레이스 150에 허벅지 링크 120을 연결하기 위해 사용된 탭 361 및 363을 도시한다.
도 22 내지 도 25는 외골격 트렁크 350 및 발목-발 정형용 지지대 (즉, 402, 404, 406, 및 408) 양자를 포함하는 본 발명의 실시형태(외골격 620, 630, 640, 및 650)를 도시한다. 도시된 실시형태에 있어서, 본 발명의 발목-발 정형용 지지대(404, 406, 408)는 사람의 발에 연결되어 질 수 있고 그리고 정강이 링크 104에 연결될 수 있다. 대안적으로, 도 22에 도시된 실시형태에 있어서는, 발목-발-정형용 지지대 402는 착용자의 신발 303 외측에 착용되어 졌다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 발목-발-정형용 지지대 404는 깔창과 같이 착용자의 신발 내측에 착용되어 졌다(도 23에 도시된 바와 같음, 여기서 착용자의 신발은 명확화를 위해 도시 생략). 이 기술 분야의 통상인은 많은 형태의 외부 및 내부 발목-발-정형용 지지대에 도달할 수 있다. 도 24는 발목-발-정형용 지지대 406이 고정된(그러나 때로는 조절할 수 있는) 힌지를 갖는 표준 숏트 레그 발목-발-정형용 지지대인 외골격 640의 실시형태를 도시한다. 도 23은 발목-발-정형용 지지대 404가 표준 고형 레그 발목-발-정형용 지지대인 외골격 630의 실시형태를 도시한다. 도 25는 발목-발-정형용 지지대 408이 족배 굴곡 중지 AFO인 외골격 650의 실시형태를 도시한다. 상기에 언급된 바와 같이, 비록 다른 발목-발 정형용 지지대의 특정한 예가 도시되었지만, 본 발명으로 이용될 수 있는 다른 타입의 발목-발-정형용 지지대가 있다. 예를 들어, 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 발목-발-정형용 지지대는 발등 굽힘 보조 AFO일 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 발목-발-정형용 지지대는 표준 포스테리어 리프 스프링 발목-발-정형용 지지대일 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 발목-발-정형용 지지대는 에너지 리턴 발목-발-정형용 지지대일 수 있다. 외골격 트렁크 350은 사람의 상체에 연결되어 지도록 구성되어 진다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 도 22에 도시된 바와 같이, 외골격 트렁크 350은 어깨 스트랩 188을 사용하여 백팩과 같이 사람에 연결되어 진다. 본 발명의 몇몇 실시형태에 있어서, 도 23, 24 및 24에 도시된 바와 같이, 외골격 트렁크 350은 벨트와 같이 사람에 연결되어 진다.

Claims (58)

  1. 사용자의 하지에 연결되어 지도록 구성된 외골격으로서, 상기 외골격은;
    제일 링크,
    제이 링크,
    상기 제일 및 제이 링크 사이에 위치되고 그리고 상기 제일 및 제이 링크 사이에서 휨과 신장을 허용하도록 구성된 무릎 관절;
    랩 스프링, 여기서 상기 랩 스프링의 제일 단은 상기 제일 링크에 연결됨;
    상기 제이 링크에 연결된 실린더, 여기서 상기 실린더의 일 부분은 상기 랩 스프링의 내측에 위치되고, 그리고 상기 실린더의 주축은 상기 랩 스프링의 주죽에 실질적으로 평행함;
    상기 랩 스프링의 제이 단의 선택적인 위치화를 가능하게 하도록 상기 랩 스프링에 연결된 적어도 하나의 전동 추진자; 및
    상기 추진자와 연락하는 조절자를 포함하고;
    여기서, 상기 조절자는 상기 전동 추진자가 적어도 무릎 휨의 어느 시간 동안 상기 제일 링크와 상기 제이 링크 사이에서 소망하는 저항 토크를 제공하기 위해 상기 랩 스프링의 상기 제이 단을 선택적으로 위치화하도록 하는 외골격.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제일 링크는 사용자의 허벅지에 제일 링크를 연결하는 제일 컨넥터를 포함하고, 상기 제이 링크는 사용자의 정강이에 제이 링크를 연결하는 제이 컨넥터를 포함하는 외골격.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제일 링크는 사용자의 허벅지와 일체로 운동하도록 구성되고, 그리고 상기 제이 링크는 사용자의 정강이와 일체로 운동하도록 구성되는 외골격.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제일 링크는 사용자의 정강이에 제일 링크를 연결하는 제일 컨넥터를 포함하고, 상기 제이 링크는 사용자의 허벅지에 제이 링크를 연결하는 제이 컨넥터를 포함하는 외골격.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제일 링크는 사용자의 정강이와 일체로 운동하도록 구성되고, 그리고 상기 제이 링크는 사용자의 허벅지와 일체로 운동하도록 구성되는 외골격.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 선택적 저항 토크는 상기 실린더의 표면과 상기 랩 스프링의 표면 사이에 마찰 접촉에 의해 발생되어 지는 것인 외골격.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 실린더의 외부 직경은 상기 랩 스프링의 내부 직경보다 다소 커서 상기 랩 스프링의 상기 제이 단이 상기 추진자에 연결되지 않을 때 상기 랩 스프링의 내부 표면의 적어도 일 부분이 상기 실린더의 외부 표면과 접촉되어 지도록 되는 것인 외골격.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 랩 스프링의 제이 단이 상기 추진자에 의해 구속되지 않고 그리고 상기 랩 스프링을 풀리도록 이동이 자유롭게 되도록 상기 추진자는 상기 랩 스프링의 상기 제이 단에 연결되는 외골격.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 무릎 조인트는 상시 신장이 자유롭게 되는 외골격.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전동 추진자는 상기 제일 링크에 연결되는 외골격.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 조절자에 대해 레그 시그널을 발생하는 적어도 하나의 레그 센서를 더 포함하고, 여기서 상기 레그 시그널은 상기 제일 링크와 상기 제이 링크 사이 각도를 나타내는 시그널, 상기 제이 링크에 대한 상기 제일 링크의 속도를 나타내는 시그널, 수직 중력 선에 대해 상기 제일 링크의 절대 각을 나타내는 시그널, 수직 중력 선에 대해 상기 제일 링크의 절대 속도를 나타내는 시그널, 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 시그널을 포함하는 외골격.
  12. 제11항에 있어서,
    레그 센서는 전위차계, 자기 엔코더, 광학 엔코더, 선형 변수 편차 변압기, 용량성 변위 센서, 와류 근접 센서, 가변-인덕턴스 근접 센서, 로커 스위치, 슬라이드 스위치, 가속도계, 관성 측정 유닛, 자이로스코프, 자력계 및 이들의 조합으로 구성된 군에서부터 선택된 요소를 포함하는 외골격.
  13. 사용자의 하지에 연결되어 지도록 구성된 외골격으로서, 상기 외골격은;
    사용자와 일체로 움직이도록 구성된 허벅지 링크;
    사용자와 일체로 움직이도록 구성된 정강이 링크;
    상기 허벅지 링크와 정강이 링크 사이에 위치되고 그리고 상기 허벅지 링크와 상기 정강이 링크 사이에서 휨과 신장을 허용하도록 구성된 무릎 관절;
    상기 허벅지 링크와 상기 정강이 링크 사이에서 휨 방향을 따라 조절할 수 있는 저항 토크를 형성하도록 구성된 토크 발생자;
    수직 중력 선과 사용자의 몸통과 실질적으로 평형한 선으로 구성된 군으로부터 선택된 선에 대해 상기 허벅지 링크의 절대 각을 나타내는 레그 시그널을 생성할 수 있는 적어도 하나의 레그 센서; 및
    상기 토크 발생자와 연결되는 조절자를 포함하고, 여기서 상기 조절자는 저항 상태로 상기 외골격을 이동하도록 구성되고 여기서 상기 저항 상태에서, 상기 토크 발생자는 상기 허벅지 링크와 상기 정강이 링크 사이에서의 휨에 반응하여 선택된 저항 토크를 제공하는 외골격.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 토크 발생자는 제일 및 제이 마찰면 사이의 마찰력의 사용에 의해 상기 허벅지 링크와 상기 정강이 링크 사이에서 조절할 수 있는 저항 토크를 형성하도록 구성된 외골격.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제일 마찰면은 상기 정강이 링크에 연결된 실린더의 외부 표면이고 그리고 상기 제이 마찰면은 상기 랩 스프링의 제일 단으로부터 상기 허벅지 링크에 연결된 랩 스프링의 내부 표면인 전동 추진자를 더 포함하고, 여기서 상기 전동 추진자는 상기 랩 스프링의 제이 단을 이동함에 의해, 상기 실린더의 상기 외부 표면과 상기 랩 스프링의 상기 내부 표면 사이의 압력을 조절하는 외골격.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제일 마찰면은 상기 허벅지 링크에 연결된 실린더의 외부 표면이고 그리고 상기 제이 마찰면은 상기 랩 스프링의 제일 단으로부터 상기 정강이 링크에 연결된 랩 스프링의 내부 표면인 전동 추진자를 더 포함하고, 여기서 상기 전동 추진자는 상기 랩 스프링의 제이 단을 이동함에 의해, 상기 실린더의 상기 외부 표면과 상기 랩 스프링의 상기 내부 표면 사이의 압력을 조절하는 외골격.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 레그 센서는 전위차계, 자기 엔코더, 광학 엔코더, 선형 변수 편차 변압기, 용량성 변위 센서, 와류 근접 센서, 가변-인덕턴스 근접 센서, 로커 스위치, 슬라이드 스위치, 가속도계, 관성 측정 유닛, 자력계 및 자이로스코프로 구성된 군에서부터 선택된 요소 또는 이들의 조합을 포함하는 외골격.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 조절자는 자유 상태로 상기 외골격을 이동하도록 적용되고 여기서 상기 토크 조절자는 상기 외골격이 상기 저항 상태로 되고 그리고 상기 레그 시그널이 소정의 특정한 최소 허벅지 각도보다 적을 때 상기 저항 토크보다 실질적으로 적은 제이 토크를 발생하기 시작하는 외골격.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 외골격이 상기 자유 상태로 되고 그리고 상기 레그 시그널이 소정의 특정한 최대 허벅지 각도보다 크게 될 때 상기 조절자는 상기 저항 상태로 상기 외골격을 이동하도록 적용되는 외골격.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 허벅지 링크와 상기 정강이 링크 사이의 각도를 측정하는 무릎 센서를 더 포함하고, 여기서 상기 외골격이 상기 자유 상태로 되고, 상기 레그 시그널이 소정의 특정한 최대 허벅지 각도보다 크고 그리고 상기 무릎 센서가 상기 허벅지 링크와 상기 정강이 링크 사이의 적은 휨을 나타낼 때 상기 조절자는 상기 저항 상태로 상기 외골격을 이동하도록 적용되는 외골격.
  21. 제13항에 있어서,
    상기 조절자는, 상기 외골격이 상기 저항 상태로 되고 그리고 상기 레그 시그널이 소정의 특정한 최소 허벅지 각도보다 적을 때 상기 토크 발생자가 제로 토크를 발생하기 시작하는 자유 상태로 상기 외골격을 이동하도록 적용되는 외골격.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 조절자는, 상기 외골격이 상기 자유 상태로 되고 그리고 상기 레그 시그널이 소정의 특정한 최대 허벅지 각도보다 크게 될 때 상기 저항 상태로 상기 외골격을 이동하도록 적용되는 외골격.
  23. 제13항에 있어서,
    상기 조절자는, 상기 외골격이 상기 저항 상태에 소정된 최대 스탠스 시간보다 많이 남아 있을 때 상기 토크 발생자가 최대 저항 토크를 발생하는 잠금 상태로 상기 외골격을 이동하도록 적용되는 외골격.
  24. 제18항 또는 제21항에 있어서,
    상기 조절자는, 상기 외골격이 상기 자유 상태에 소정된 최대 스윙 시간보다 많이 남아 있을 때 상기 토크 발생자가 최대 저항 토크를 발생하는 잠금 상태로 상기 외골격을 이동하도록 적용되는 외골격.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 조절자는, 상기 레그 시그널이 소정된 최대 허벅지 각보다 클 때 상기 저항 상태로 상기 외골격을 이동하도록 적용되는 외골격.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 조절자는, 상기 레그 시그널이 소정된 최소 허벅지 각보다 적을 때 상기 자유 상태로 상기 외골격을 이동하도록 적용되는 외골격.
  27. 제13항에 있어서,
    상기 조절자에 잠금 시그널을 발생할 수 있는 수동의 잠금 장치를 더 포함하고, 여기서 상기 수동 입력 장치가 사용자에 의해 활성화되어 질 때, 상기 외골격은 상기 토크 발생자가 최대 저항 토크를 발생하는 잠금 상태로 이동하는 외골격.
  28. 제13항에 있어서,
    상기 조절자에 수동의 비잠금 시그널을 발생할 수 있는 수동의 비잠금 장치를 더 포함하고, 여기서 상기 수동 입력 장치가 사용자에 의해 활성화되어 질 때, 상기 외골격은 상기 토크 발생자가 최소 저항 토크를 발생하는 비잠금 상태로 이동하는 외골격.
  29. 제13항에 있어서,
    상기 조절자에 수동의 비잠금 시그널을 발생할 수 있는 수동의 비잠금 장치를 더 포함하고, 여기서 상기 수동 입력 장치가 사용자에 의해 활성화되어 질 때, 상기 외골격은 상기 토크 발생자가 제로 저항 토크를 발생하는 비잠금 상태로 이동하는 외골격.
  30. 제13항에 있어서,
    상기 조절자에 수동의 시팅 시그널을 발생할 수 있는 수동의 시팅 장치를 더 포함하고, 여기서 상기 수동 입력 장치가 사용자에 의해 활성화되어 질 때, 상기 외골격은 상기 토크 발생자가 상기 무릎 관절을 점진적으로 굽히기에 적절한 임의적 저항 토크를 발생하는 시팅 상태로 이동하는 외골격.
  31. 제28항 또는 제29항에 있어서,
    상기 레그 시그널은 소정의 최대 시팅 허벅지 각도 값에 도달할 때, 상기 외골격은 상기 비잠금 상태로 이동하는 외골격.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 소정의 최대 시팅 허벅지 각도는 약 90도인 외골격.
  33. 제13항에 있어서,
    상기 조절자에 잠금 시그널을 발생할 수 있는 수동의 잠금 장치를 더 포함하고, 여기서 상기 수동의 잠금 장치가 활성화되어 지고, 상기 외골격은 상기 토크 발생자가 최대 저항 토크를 발생하는 잠금 상태로 이동하는 외골격.
  34. 허벅지 링크; 정강이 링크; 상기 허벅지 링크와 정강이 링크 사이에서 휨이 반응하여 저항 토크를 생성할 수 있는 토크 발생자; 레그 센서를 포함하는 외골격의 조절방법으로, 상기 조절 방법은;
    수직의 중력 선이나 사용자의 몸통에 대해 사용자의 허벅지 또는 상기 허벅지 링크의 각도를 나타내는 레그 센서로부터 레그 시그널을 생성하는 단계; 및
    단지 상기 레그 시그널이 상기 사람의 다리가 전방으로 스윙되고 소정된 최대 허벅지 각도를 지나는 것을 나타낼 때만 무릎 휨에 반응하여 상기 허벅지 링크와 상기 정강이 링크 사이에 저항 토크를 발생하는 단계를 포함하는 방법.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 저항 토크는 상기 레그 시그널의 작용인 방법.
  36. 제3항에 있어서,
    상기 사용자의 발에 연결되어 질 수 있는 발목-발 정형용 지지대를 더 포함하는 외골격.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 발목-발 정형용 지지대는 상기 제이 링크에 연결되어 질 수 있는 외골격.
  38. 제5항에 있어서,
    상기 사용자의 발에 연결되어 질 수 있는 발목-발 정형용 지지대를 더 포함하는 외골격.
  39. 제38항에 있어서,
    상기 발목-발 정형용 지지대는 상기 제일 링크에 연결되어 질 수 있는 외골격.
  40. 제13항에 있어서,
    상기 사용자의 발에 연결되어 질 수 있는 발목-발 정형용 지지대를 더 포함하는 외골격.
  41. 제40항에 있어서,
    상기 발목-발 정형용 지지대는 상기 정강이 링크에 연결되어 질 수 있는 외골격.
  42. 제36항, 제38항 및 제40항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발목-발 정형용 지지대는 경성 AFO, 유연성 AFO, 힌지된 AFO, 비힌지된 AFO, 족배굴곡 중지 AFO, 표준 포스테리어 리프 스프링 AFO, 에너지 리턴 AFO, 연성 AFO, 경성 AFO, 타마랙 플렉셔를 갖는 AFO, 안티-탈러스를 갖는 AFO, AFO 안티-탈러스(앞쪽의 쉘 또는 전방 안의 쉘), 자유-운동 발목 관절을 갖는 AFO, 조절할 수 있는 경성 발목 관절을 갖는 AFO, 스프링-적재 발목 관절을 갖는 AFO, 및 조절할 수 있는 스프링-적재 발목 관절을 갖는 AFO로 구성된 군으로부터 선택된 내부 또는 외부 발목-발-정형용 지지대 또는 내부 또는 외부 발목-발-정형용 지지대의 조합을 포함하는 외골격.
  43. 제3항에 있어서,
    상기 사용자의 상체에 연결되도록 구성되어 질 수 있는 외골격 트렁크를 더 포함하고, 상기 외골격 트렁크는 사용자의 몸통에 연결될 수 있는 몸통 링크 및 상기 몸통 링크에 회전가능하게 연결되도록 구성될 수 있는 트렁크 허벅지 링크를 포함하는 외골격.
  44. 제43항에 있어서,
    상기 트렁크 허벅지 링크는 상기 제일 링크에 연결되어 지는 외골격.
  45. 제5항에 있어서,
    상기 사용자의 상체에 연결되도록 구성되어 질 수 있는 외골격 트렁크를 더 포함하고, 상기 외골격 트렁크는 사용자의 몸통에 연결될 수 있는 몸통 링크 및 상기 몸통 링크에 회전가능하게 연결되도록 구성될 수 있는 트렁크 허벅지 링크를 포함하는 외골격.
  46. 제43항에 있어서,
    상기 트렁크 허벅지 링크는 상기 제이 링크에 연결되어 지는 외골격.
  47. 제43항 또는 제45항에 있어서,
    상기 몸통 링크와 상기 트렁크 허벅지 링크 사이에 토크를 제공할 수 있는 추진자를 더 포함하는 외골격.
  48. 제13항에 있어서,
    상기 사용자의 상체에 연결되도록 구성되어 질 수 있는 외골격 트렁크를 더 포함하고, 상기 트렁크는 사용자의 몸통에 연결될 수 있는 몸통 링크 및 상기 몸통 링크에 회전가능하게 연결되도록 구성될 수 있는 트렁크 허벅지 링크를 포함하는 외골격.
  49. 제48항에 있어서,
    상기 트렁크 허벅지 링크는 상기 허벅지 링크에 연결되어 지는 외골격.
  50. 제48항에 있어서,
    상기 몸통 링크와 상기 트렁크 허벅지 링크 사이에 토크를 제공할 수 있는 추진자를 더 포함하는 외골격.
  51. 제43항에 있어서,
    사용자의 발에 연결되어 질 수 있는 발목-발 정형용 지지대를 더 포함하는 외골격.
  52. 제51항에 있어서,
    상기 발목-발 정형용 지지대는 상기 제이 링크에 연결되어 지는 외골격.
  53. 제45항에 있어서,
    사용자의 발에 연결되어 질 수 있는 발목-발 정형용 지지대를 더 포함하는 외골격.
  54. 제53항에 있어서,
    상기 발목-발 정형용 지지대는 상기 제일 링크에 연결되어 지는 외골격.
  55. 제51항 또는 제53항에 있어서,
    상기 몸통 링크와 상기 트렁크 허벅지 링크 사이에 토크를 제공할 수 있는 추진자를 더 포함하는 외골격.
  56. 제48항에 있어서,
    사용자의 발에 연결되어 질 수 있는 발목-발 정형용 지지대를 더 포함하는 외골격.
  57. 제56항에 있어서,
    상기 발목-발 정형용 지지대는 상기 정강이 링크에 연결되어 지는 외골격.
  58. 제51항, 제53항 및 제56항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발목-발 정형용 지지대는 경성 AFO, 유연성 AFO, 힌지된 AFO, 비힌지된 AFO, 족배굴곡 중지 AFO, 표준 포스테리어 리프 스프링 AFO, 에너지 리턴 AFO, 연성 AFO, 경성 AFO, 타마랙 플렉셔를 갖는 AFO, 안티-탈러스를 갖는 AFO, AFO 안티-탈러스(앞쪽의 쉘 또는 전방 안의 쉘), 자유-운동 발목 관절을 갖는 AFO, 조절할 수 있는 경성 발목 관절을 갖는 AFO, 스프링-적재 발목 관절을 갖는 AFO, 및 조절할 수 있는 스프링-적재 발목 관절을 갖는 AFO로 구성된 군으로부터 선택된 내부 또는 외부 발목-발-정형용 지지대 또는 내부 또는 외부 발목-발-정형용 지지대의 조합을 포함하는 외골격.
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